新型智慧城市應(yīng)用系統(tǒng)AI建模與實(shí)踐

智慧城市和人工智能是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的熱門領(lǐng)域。2008年IBM提出智慧地球的概念，2012年中國(guó)政府開(kāi)始提出發(fā)展智慧城市。1956年科學(xué)家們提出人工智能的概念。智慧城市是社會(huì)、城市發(fā)展的新形態(tài)，也是國(guó)家治理的新手段。人工智能則是一種基礎(chǔ)通用理論和技術(shù)。在智慧城市和人工智能各自蓬勃發(fā)展的今天，二者不斷相互滲透，在碰撞交疊中又誕生了很多新的商業(yè)模式和新的發(fā)展方向，繼而催生了新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

人工智能發(fā)展概況

1956年，達(dá)特茅斯會(huì)上，麥肯錫、明斯基、香農(nóng)等獲得圖靈獎(jiǎng)、諾貝爾獎(jiǎng)的大科學(xué)家們共同提出了人工智能的概念。1970年前后是人工智能發(fā)展的第一次浪潮，可以通過(guò)第一代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，證明《數(shù)學(xué)原理》這本書中的絕大部分的原理。1984年是第二次浪潮，霍普菲爾德網(wǎng)絡(luò)推出，讓人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備了歷史記憶功能?，F(xiàn)在是第三次浪潮，典型技術(shù)特征是：以深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)云計(jì)算平臺(tái)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)同工作把各種訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集到人工智能算法平臺(tái)。

2016年10月，美國(guó)白宮發(fā)布了《為人工智能的未來(lái)做好準(zhǔn)備》《美國(guó)國(guó)家人工智能研究與發(fā)展策略規(guī)劃》，將人工智能上升到美國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略高度。十二屆全國(guó)人大五次會(huì)議上，國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)在政府工作報(bào)告中指出，要“全面實(shí)施戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，加快新材料、人工智能、集成電路、生物制藥、第五代移動(dòng)通信等技術(shù)研發(fā)和轉(zhuǎn)化”。人工智能第一次出現(xiàn)在總理政府工作報(bào)告中。2017年年初召開(kāi)的全國(guó)科技工作會(huì)議中，科技部部長(zhǎng)萬(wàn)鋼透露，目前正在編制人工智能專項(xiàng)規(guī)劃，同時(shí)在研究論證人工智能重大項(xiàng)目的立項(xiàng)工作。

在人工智能第三次大潮到來(lái)的當(dāng)前歷史時(shí)期，人工智能已經(jīng)不再是一個(gè)概念，而是經(jīng)過(guò)幾十年的積淀和發(fā)展，真正進(jìn)入并深刻影響著一個(gè)又一個(gè)的行業(yè)。

我國(guó)智慧城市發(fā)展概況

圖1 智慧城市系統(tǒng)AI建模及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用流程

圖2 智慧城市CPS（信息物理）系統(tǒng)概念模型

我國(guó)首次提到智慧城市是2012年1月頒布的《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)規(guī)劃(2011-2015年)的通知》，該通知從推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的角度，明確了智慧城市的應(yīng)用領(lǐng)域。2014年3月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014-2020年)》，提出利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，推動(dòng)智慧城市發(fā)展，首次把智慧城市建設(shè)引入國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃，并提出到2020年，建成一批特色鮮明的智慧城市。2014年8月，經(jīng)國(guó)務(wù)院同意，國(guó)家發(fā)展改革委等八部委聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》。

黨的十八屆五中全會(huì)提出了創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享的新發(fā)展理念，這是在深刻總結(jié)國(guó)內(nèi)外發(fā)展經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、深入分析國(guó)內(nèi)外發(fā)展大勢(shì)的基礎(chǔ)上提出的，集中反映了我們黨對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展規(guī)律的新認(rèn)識(shí)。新型智慧城市理念正是順應(yīng)這種新的發(fā)展趨勢(shì)而提出的，是按照十八屆五中全會(huì)新發(fā)展理念推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支柱和落腳點(diǎn)。

自新型智慧城市理念提出以來(lái)，國(guó)家從政策層面予以大力支持和積極引導(dǎo)。

2016年3月，“十三五”規(guī)劃明確提出“以基礎(chǔ)設(shè)施智能化、公共服務(wù)便利化、社會(huì)治理精細(xì)化為重點(diǎn)，充分運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)，建設(shè)一批新型示范性智慧城市”。

2016年4月19日，習(xí)近平總書記在網(wǎng)絡(luò)安全和信息化工作座談會(huì)上的講話中提到“新型智慧城市”，即“分級(jí)分類推進(jìn)新型智慧城市建設(shè)，打通信息壁壘，構(gòu)建全國(guó)信息資源共享體系，更好用信息化手段感知社會(huì)態(tài)勢(shì)、暢通溝通渠道、輔助科學(xué)決策?！?/p>

2016年4月，國(guó)家發(fā)改委提出，“十三五”期間我國(guó)將推出100個(gè)新型智慧城市試點(diǎn)。

2016年11月22日，國(guó)家發(fā)展改革委、中央網(wǎng)信辦、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于組織開(kāi)展新型智慧城市評(píng)價(jià)工作的通知》，要求根據(jù)相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展新型智慧城市評(píng)價(jià)工作。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2016年6月，全國(guó)95%的副省級(jí)以上城市、超過(guò)76%的地級(jí)城市，超過(guò)500座城市，明確提出或正在建設(shè)智慧城市，我國(guó)已經(jīng)成為世界智慧城市建設(shè)的“試驗(yàn)場(chǎng)”。

智慧城市應(yīng)用系統(tǒng)AI建模

人工智能作為一種通用的理論和技術(shù)如何有效地融合應(yīng)用到智慧城市呢？首先要明確兩個(gè)問(wèn)題：一是智慧城市應(yīng)用系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模型，二是人工智能落地到智慧城市的結(jié)合點(diǎn)。

我們提出的智慧城市系統(tǒng)AI建模方法及產(chǎn)業(yè)應(yīng)用流程如圖1所示。

智慧應(yīng)用AI系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)是：以應(yīng)用需求為驅(qū)動(dòng)，以系統(tǒng)建模為核心，以算法、數(shù)據(jù)為重點(diǎn)。基于AI閉環(huán)反饋系統(tǒng)通用模型，可建立智慧城市CPS（信息物理系統(tǒng)）概念模型，如圖2所示。

分類器構(gòu)建的核心和難點(diǎn)是機(jī)器學(xué)習(xí)算法。機(jī)器學(xué)習(xí)算法有三類：（1）有監(jiān)督學(xué)習(xí)。其特點(diǎn)是對(duì)樣本進(jìn)行標(biāo)記。（2）無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)。其特點(diǎn)是由顯示或隱式準(zhǔn)則確定自組織結(jié)果，典型應(yīng)用：能源負(fù)荷聚類、人員密度聚類。（3）強(qiáng)化學(xué)習(xí)。根據(jù)輸出類別和已知類別的誤差來(lái)改善分類器性能。評(píng)估網(wǎng)絡(luò)使用時(shí)序差分預(yù)測(cè)方法和反向傳播BP算法進(jìn)行學(xué)習(xí)，而對(duì)行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遺傳操作，使用內(nèi)部強(qiáng)化信號(hào)作為行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)度函數(shù)。深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)研究中一個(gè)新的領(lǐng)域，模型如圖3所示。其動(dòng)機(jī)在于建立、模擬人腦進(jìn)行分析學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它模仿人腦的機(jī)制來(lái)解釋數(shù)據(jù)，例如圖像、聲音和文本。深度機(jī)器學(xué)習(xí)方法也有監(jiān)督學(xué)習(xí)與無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)之分。

智慧城市AI應(yīng)用實(shí)踐案例

1.智慧社區(qū)民生大數(shù)據(jù)

智慧社區(qū)利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、智能終端等新一代信息技術(shù)，通過(guò)對(duì)各類與居民生活密切相關(guān)信息的自動(dòng)感知、及時(shí)傳送、及時(shí)發(fā)布和信息資源的整合共享，提升社區(qū)治理和小區(qū)管理現(xiàn)代化，讓居民生活更智慧、更幸福、更安全、更和諧、更文明，促進(jìn)社區(qū)公共服務(wù)和便民利民服務(wù)智能化的一種社區(qū)管理和服務(wù)的創(chuàng)新模式。智慧社區(qū)的發(fā)展表明了對(duì)人主體需求（吃、穿、住、行、游、養(yǎng)老、健康、宜居等）的關(guān)注，是城市向高質(zhì)量、精致化、人性化發(fā)展的體現(xiàn)。

結(jié)合智慧社區(qū)業(yè)務(wù)特點(diǎn)和業(yè)務(wù)流程，人工智能疊加智慧社區(qū)的交叉落地點(diǎn)如下：（1）社區(qū)大數(shù)據(jù)（能源大數(shù)據(jù)、社交大數(shù)據(jù)、電商大數(shù)據(jù)、信用大數(shù)據(jù)）分析；（2）語(yǔ)音交互、語(yǔ)音識(shí)別（購(gòu)物機(jī)器人、聊天機(jī)器人）；（3）計(jì)算機(jī)視覺(jué)（小區(qū)安防視頻信息挖掘分析、目標(biāo)跟蹤）；（4）智能機(jī)器人（保安巡邏機(jī)器人、消防機(jī)器人、家庭教育機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人）；（5）基于社區(qū)大數(shù)據(jù)池的搜索、檢索；（6）虛擬現(xiàn)實(shí)、三維（VR售房、購(gòu)物、家庭娛樂(lè)、教育培訓(xùn)）。

智慧社區(qū)大數(shù)據(jù)來(lái)源包括：居民消費(fèi)數(shù)據(jù)、報(bào)修維修數(shù)據(jù)、社區(qū)物流產(chǎn)品數(shù)據(jù)、社區(qū)社交媒體數(shù)據(jù)。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生用戶畫像，進(jìn)而產(chǎn)生有效的智慧社區(qū)人工智能落地應(yīng)用：消費(fèi)理解、精準(zhǔn)營(yíng)銷、消費(fèi)升級(jí)服務(wù)、征信及商業(yè)決策支持、政務(wù)決策支撐、預(yù)測(cè)預(yù)警。

圖3 深度學(xué)習(xí)模型

圖4 智慧社區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)基本架構(gòu)

2.智慧建筑能源互聯(lián)網(wǎng)

目前，大數(shù)據(jù)的范圍一般從幾個(gè)TB到數(shù)個(gè)PB。大數(shù)據(jù)技術(shù)的戰(zhàn)略意義：有目的性的處理數(shù)據(jù)、利用數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)的處理過(guò)程包括至少四個(gè)步驟：數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)導(dǎo)入及預(yù)處理，數(shù)據(jù)可視化分析和數(shù)據(jù)挖掘。

智慧建筑能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的方法是：以某智慧建筑（例如：智慧社區(qū)建筑群）周能源大數(shù)據(jù)分析為例，獲取該社區(qū)從周一到周日七天各部分、各時(shí)間段能源消耗數(shù)據(jù)，把相關(guān)數(shù)據(jù)用R語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入和預(yù)處理，在整合數(shù)據(jù)后，通過(guò)R語(yǔ)言程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析并進(jìn)行更深一步的數(shù)據(jù)挖掘，從而對(duì)能源消耗情況進(jìn)行綜合分析，提出優(yōu)化建議。可推廣應(yīng)用領(lǐng)域：軌道交通站、場(chǎng)館建筑、醫(yī)院建筑、學(xué)校建筑等。智慧社區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的基本架構(gòu)如圖4所示。

按照以上方法做出的某智慧建筑一周七天能耗變化趨勢(shì)如圖5所示。

每天各項(xiàng)能耗占總能耗的百分比如圖6所示。

3.智能保安巡邏機(jī)器人

近年來(lái)研制成功并推向市場(chǎng)的智能保安巡邏機(jī)器人代表如圖7所示。

圖5 某智慧建筑一周七天能耗變化

圖6 某智慧建筑每天各項(xiàng)能耗百分比

圖7 保安巡邏機(jī)器人

基本功能：（1）視頻監(jiān)控：機(jī)器人頭部可以實(shí)現(xiàn)360°控制，通過(guò)前端視頻采集系統(tǒng)將周圍環(huán)境記錄下來(lái)傳輸?shù)娇刂婆_(tái)；（2）自主巡邏：能夠根據(jù)自主構(gòu)建的地圖自主導(dǎo)航、自主巡邏，發(fā)揮保安作用；（3）違規(guī)停放識(shí)別：遇到違規(guī)停放車輛，實(shí)現(xiàn)自主上前語(yǔ)音提示車主將車庫(kù)停入車庫(kù)；（4）行人指路：當(dāng)有行人向其問(wèn)路，能通過(guò)語(yǔ)音提示將行人帶往目的地；（5）輔助功能：垃圾檢測(cè)、車牌識(shí)別、行人檢測(cè)、人臉檢測(cè)、熱成像監(jiān)控、井蓋監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量檢測(cè)等。

智慧城市AI應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

人工智能與智慧城市的融合應(yīng)用現(xiàn)狀可總結(jié)為：廣度不夠大、程度不夠深、合適的切入點(diǎn)亟待研發(fā)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式亟待構(gòu)建。可行的實(shí)現(xiàn)途徑有：多領(lǐng)域跨界協(xié)作、跨界融合；建立通用和細(xì)分的產(chǎn)業(yè)服務(wù)模型，推廣應(yīng)用。

智慧城市AI應(yīng)用發(fā)展將呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：

程度加深。智能的程度將逐步加深、變廣，將從初步智能邁向深層、廣度智能。

領(lǐng)域細(xì)化。應(yīng)用AI的智慧領(lǐng)域?qū)?huì)進(jìn)一步細(xì)化，若干AI智慧微循環(huán)將被建立，最終鏈接成為AI集群，形成真正自適應(yīng)、自組織的智慧系統(tǒng)。

模型通用。通用AI智慧模型的開(kāi)發(fā)將在智慧產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生顛覆式創(chuàng)新。

云上AI。云上智能將進(jìn)一步發(fā)展，智在云上、用在端上。

大數(shù)據(jù)價(jià)值。大數(shù)據(jù)的價(jià)值將越發(fā)凸顯，對(duì)數(shù)據(jù)處理分析的要求會(huì)來(lái)越高。

“人工智能+”。第一步是“互聯(lián)網(wǎng)+”，產(chǎn)生大數(shù)據(jù)；第二步是“人工智能+”，產(chǎn)生智慧。

在全球智慧城市大發(fā)展的背景下，伴隨著人工智能理論和技術(shù)的成熟，智慧城市與人工智能的融合應(yīng)用將進(jìn)一步向縱深發(fā)展，呈現(xiàn)出全新?tīng)顟B(tài)。